低气压试验标准及试验技术分析

宋小燕，翟 波

（1. 中国电科第20 研究所，西安 710068； 2. 中航工业洛阳光电所，洛阳 471009）

1 低气压环境对装备的影响

1.1 低气压环境

空气由于受到地球引力作用而具一定重量形成大气压力，在某高度上的大气压力，是该点以上垂直于地面的单位面积上整个空气柱的重量。随着高度的增加，空气逐渐变得稀薄，大气压力逐渐降低。据实际测量，在海平面3000km以内，高度每升高10米，气压降低100Pa，在接近31km处的大气压力为海平面标准大气压值的1/100。大气压力除了与高度有关外，还和天气变化有关系，同一地点，晴天气压高阴天气压地，冬天气压比夏天气压高。

我国约有50%的地球表面积高于海平面1000m，约有25%的面积高于海平面2000m。可见，在地球表面高于海平面处和空中贮存、运输和使用的装备都不可避免地会遇到低气压环境，受到低气压环境的作用。对于航空产品，由于飞机最高飞行高度最低也有数千米，一般要飞近万米及万米以上，最高可达30km。故机载设备将承受比高原设备更为严酷的低气压作用。

1.2 低气压环境对装备的影响

低气压环境对装备的影响是多方面的：包括气压降低造成的压力差产生的直接的机械影响，空气密度降低对散热和动力设备推力的影响及对电气设备的电性能的影响，压力差导致密封损坏后造成的附加影响和对挥发性物质的有害影响等。

1）直接的破坏带壳密封产品

带壳密封产品在低气压的作用下，由于内外压差过大将直接导致壳体破坏，压差存在也导致密封损坏。

2）降低电性能

在正常大气条件下，空气是较好的绝缘介质，许多电器产品采用空气作为绝缘介质。当这些产品用于高海拔地区或做为机载设备时，由于大气压力降低，常常在电场强度较强的电极附近产生局部放电现象。更严重的是有时会发生空气间隙击穿，这意味着设备的正常工作受到破坏。所以，低气压环境对电工电子产品的电气性能也会产生影响，特别是以空气做为绝缘介质的设备，低气压对其影响更为显著。

3）导致散热产品大幅度温升

所谓散热产品，是指在自由空气条件下和规定的大气压力进行测量时，试验样品温度达到稳定后，其表面最热点的温度与环境温度之差大于5℃的试验样品。

电工电子产品中有相当一部分是散热产品，如电机、变压器等，这些产品在使用中要消耗一部分电能，使其变成热能，使产品温度升高。散热产品的温升随海拔高度的增加（大气压力的降低）而增加。温升与海拔高度大致成线性关系，其斜率取决于本身结构、散热情况、环境温度等因素。

4）导致挥发性物质的流失

压力的降低，会使液体的沸点降低，对于那些在海平面正常大气条件下有较高饱和蒸气压的液体，低气压使其蒸发甚至沸腾。

液体蒸发过程是一个平衡过程，即液体分子受到能量挥发到空气中的分子数量与被空气分子撞回到液体表面而束缚住的分子数量到达平衡的过程。当大气压力降低，空气密度下降，进入空气中的液体挥发的分子被撞回到液体表面上的可能性也大大降低，因此在低气压条件下液体挥发的速度将大大增加。润滑油或润滑脂属于这种情况，压力降低会使润滑油（或润滑脂）加速挥发，造成活动部件摩擦加剧，使活动部件表面加快磨蚀。

有机材料中的增塑剂也会因气压降低而加速挥发。增塑剂的挥发促使有机材料老化，使其机械性能或电气性能发生变化。

挥发物的挥发也会污染产品及其周围物件，导致产品或物件受污染甚至腐蚀破坏。

基于以上低气压环境对装备的影响，产生的典型的低气压环境效应有：密封壳体内漏出气体或液体；密封容器变形、破裂或爆炸；低密度材料的物理、化学性能发生变化；低压下电弧或电晕放电引起设备误动作或出现故障；低压下热传递效能降低使设备过热；润滑剂挥发；发动机起动和燃烧不稳定，且推力或牵引力下降；气密密封失效等。

2 典型的试验程序

低气压试验程序一般包括贮存试验、工作试验、快速减压试验和爆炸减压试验四个程序，分别适用于作为货物在飞机上增压舱内运输的和在高海拔地区安装（不工作状态）装备，在高海拔地面和飞机等航空器的增压舱或非增压舱工作的设备和外挂、吊舱中的设备，以及会暴露于快速减压或爆炸减压环境中的装备。

GJB 150/150A、HB 6167/6167A、GB/T 2423标准及其等效的国外标准中均设置相应的低气压试验程序，但其内容完整程度和目的略存差别，各有特色。例如HB 6167/6167A包含有高度（低气压）试验，快速减压试验和过压试验三个程序，其快速减压试验的压力和变化时间虽然与GJB 150/150A相同，但受试产品在试验过程中处于工作状态，而GJB 150/150A中是非工作状态；GB/T 2423的低气压试验中没有快速减压和爆炸减压试验程序，对于民用电工电子产品来说，这是合理的，而其低气压试验部分，未明确规定贮存试验和工作试验。受试设备进行低气压试验的，可以是不工作状态，也可以是工作状态，分别称为非工作性试验和工作性试验。GJB 150A比GJB 150增加了一个爆炸减压试验，GJB 150/150A的工作试验可以模拟设备地面高海拔地区工作，也可以模拟设备装在飞行器上在不同高度上的工作。

3 低气压试验条件说明和剪裁

3.1 低气压贮存试验条件

低气压贮存试验主要模拟在高海拔地区安装的地面设备不工作状态环境和用飞机增压舱运输增压环境，一般说来，地面安装设备使用的最高高度为4500m，这是陆军地面作战最高高度，也是人们能长期生活和工作的最高地面高度，因此低气压贮存试验采用相当于4500m高度的压力57kPa。

低气压贮存试验的时间，取决低气压环境对装备的作用和影响时间，低气压的压差对装备结构性损坏，所需时间较短。GJB 150/150A中规定最好按实际贮运时间，但不少于1h。特殊产品另有考虑除外，GB/T 2423中推荐的时间等级是：5min、30min，2h、4h、6h具体由技术文件根据产品结构情况和可能的失效模式确定。

3.2 低气压工作试验条件

无论是高海拔地面使用的设备，还是飞机等飞行器增压舱或非增压舱内使用的设备，均应在相应的低气压条件下工作，其低气压条件取决于实际的海拔高度。如前所述，地面使用设备的最高工作高度，如一般为4500m，而飞机等飞行器上使用设备工作高度取决其飞行的最高高度。HB 6167/6167A将机载设备按载机飞行高度分为六类，分别为4600m（包括增压舱）、7600m、10700m、15200m、21300m、16800m；GJB 150/150A中不分类别，按载机实际飞行高度或增压对应高度；GB/T 2423则给出了11个高度等级（2000米、3000米、4000米、4850米、7200米、10400米、13600米、17600米、22100米、26600米、31200米）及对应的压力，且给出了不同高度的三个等级允差，分别为±2kPa（7200米以下）、给定压力的±5%（10400米～22100米）、±0.1 kPa（26600米、31200米）。

在GB/T 2423中，高度越高，允差绝对值越小，这是因为低气压的绝对压力随高度升高迅速下降，是比较科学且符合实际的。而GJB 150和HB 6167/6167A中规定为压力值的±5%，按固定的百分比值要求是不科学的，是不恰当的，因此GJB 150A中作了改进，允差为规定值的±5%或±200Pa，取大者，保证了高空时的允差控制的现实性和可操作性。例如30000m高度的低气压试验，其气压为1000Pa，其±5%为50Pa，按GJB 150A规定其允差应取200Pa。而在2000m高度的低气压试验其±5%的值为±3.975kPa，此值大于GB/T 2423的±2kPa。可以看出，GJB 150A的允差要求比GB/T 2423低。

有关低气压工作试验的保持时间，由于G J B 150/150A与HB 6167/6167A中对设备工作要求不同，因而有不同的规定，GJB 150/150A规定的低气压工作试验是受试产品不工作状态下降压，到规定压力后，开机进行性能检测，在低气压压力下的保持时间即为试验检测所需时间，而HB 6167/6167A则规定受试产品在工作状态下降压，到规定压力后必须待受试产品达到温度稳定，而后再进行检测，因此其保持时间为受试产品在规定低气压下达到温度稳定时间，加上性能检测所需时间。GJB 150/150A的保持时间与810C/810F相同的，但810G中则要求不工作状态到低气压规定值时，要保持至少1h，而后开机检测性能。因此其要求和HB 6167/6167A更接近。

3.3 快速减压和爆炸减压的试验条件

快速减压和爆炸减压的试验条件包括初始压力、最终压力、减压时间和在低气压下保持时间。

快速减压和爆炸减压的起始压力是模拟增压舱的增压压力，GJB 150标准中规定模拟4560m高度的压力即57kPa，这是一个大多数飞机增压舱增压的目标，但有许多运输机的增压目标不是4560m，而是2438m，即75.2kPa压力。有关最终压力，一般选用12192m高度对应的压力即18.8kPa，这一压力要求模拟的是飞机最佳巡航高度，因此GJB 150/150A和HB 6167/6167A是一致的。GJB 150A中改用75.2kPa压力作为起始压力，这样做其覆盖面更大，而且使试验中压力变化范围扩大，从而更为严酷。要说明的是HB 6167/6167A中只有快速减压试验，其起始压力一直是2400m高度对应的75.2kPa的压力，民用飞机与军机不同之处在于，不大可能出现军用飞机受重大损伤而不坠毁这一情况，因而不安排爆炸减压这一试验。GB/T 2423作为民用电工电子产品标准，不包括这两个试验程序。

快速减压和爆炸减压所需的时间是不一样的，快速减压模拟飞机增压舱受较小的损伤而泄漏，因此减压时间为不大于15s，爆炸减压是模拟飞机受重大损坏而突发性地产生内外压力平衡过程，因而时间很短，仅为不大于0.1s，类似于爆炸现象。

快速减压和爆炸减压试验中在初始压力到达规定值时即可减压，因而保持时间为零，而最终压力下的保持时间均为10min。由于减压造成的破坏机理一般是机械性损伤而不是化学、物理性损坏，其破坏过程是很快出现的，因而10min时间是足够的。

3.4 低气压试验中的压力变化速率

低气压试验中的压力变化速率与高低温试验中的升、降温速率一样并不是试验条件，但为了防止这种变化速率不当产生不应有的故障机理，标准中一般均作了规定，低气压试验中的升压和降压速率在GJB 150、HB 6167中规定不大于10kPa/min，但DO160B/160F中不作规定，GJB 150A/810F中则明确为10m/s，其依据是军用运输机全推力起升时，其高度变化速率通常为7m/s，标准中的10m/s已超过这一速率。GJB 150A中也明确，可以按照载机实际的高度变化速率实施。

4 试验设备及辅助仪器

4.1 一般要求

1）低气压试验设备应当能产生和保持试验所需要的低气压，并配有能监控低气压条件的所需的辅助仪器；

2）低气压箱中应配有连续记录试验箱压力的装置；

3）数据读出装置的分辨率不低于其满量程的2%；

4）注意防止试验设备本身的抽气泵、阀门、绝缘材料等挥发物对箱内空气的污染；

5）在复压时注意防止外界灰尘和水汽进入箱内造成污染。

4.2 快速减压、爆炸减压设备

在现有低气压试验设备的基础上增强真空系统的抽空能力，实现快速减压试验是非常困难的，因为这样做需要配备具有强大抽空能力的真空泵系统，不但需要较多投资，而且要达到在15s或0.1s内试验箱压力由75kPa降到18.8kPa的降压速率也是十分困难的。目前，一般采用辅助真空罐法，即使试验箱通过管道电磁阀门与另一较大容积的真空罐或低气压箱相连接，并将真空罐或低气压箱内的空气抽空。

当需要进行快速减压试验时，迅速打开电磁活门，使试验箱与真空罐相通，试验箱压力与真空罐压力相平衡，即可达到预期目的。

例如：已知试验箱容积：V1＝1m3

试验箱压力：P1＝57kPa

真空罐或另一低气压箱最终压力：P2＝18.8kPa

真空罐或另一低气压箱容积根据：P1V1＝P2V2算得：

即为解决1m3试验箱的快速减压试验问题，尚需配备一个3m3的真空罐或另一低气压箱。当然，系统中的管道直径和阀门等都要进行适当计算，以保证在15s内试验箱达到要求的压力值。

5 试验技术

低气压试验相对比较简单，其试前准备、试件安装、初始检测、中间检测和最终检测等均与GJB 150.1A中的通用要求基本一致。需要注意以下事项。

1）不同的试验程序要求受试产品的技术状态不一样，如低气压贮存试验和GJB 150/150A中的快速减压和爆炸减压试验，试件应处于运输、贮存技术状态，而HB 6167/6167A进行的快速减压试验，试件应处于工作技术状态，低气压工作试验则当然处于工作技术状态。

2）低气压作用于受试产品的时间不能间断，否则难以得到所需的效果。

3）对于低气压工作试验，试验前初始检测应在受试产品装在试验箱中，连接好电源和检测线路后进行，以确保受试产品不因安装而损坏，连接的电源和测试线路均正常，防止出现非责任故障。

4）若低气压贮存和工作试验均要进行，则应先进行贮存试验；快速减压和爆炸减压试验应在低气压工作试验后进行，先进行快速减压试验后进行爆炸减压试验。

[1]GJB 150.2, 军用设备环境试验方法 低气压试验[S].

[2]GJB 150.2A , 军用装备实验室环境试验方法 第2 部分：低气压试验[S].

[3]GB/T 2423, 电工电子产品环境 第2 部分：试验Z/AM 低温低气压综合试验[S].

[4]GB/T 2423, 电工电子产品环境 第2 部分：试验Z/BM 高温低气压综合试验[S].

[5]祝耀昌. 产品环境工程概论[M]. 北京:航空工业出版社, 2003.